NEA多级效应低温蒸发结晶系统

多级鼓泡塔蒸汽混合物冷凝器和HDH系统

多级泡罩塔蒸汽混合物冷凝器包括至少第一级和第二级。每个级包括载气入口和载气出口，以及包含与载气入口和载气出口流体连通的冷凝浴的冷凝室。载气入口定位成使载气从载气入口向上鼓泡通过冷凝浴，克服冷凝浴的静水压头。载气出口定位有一个开口，用于在冷凝浴上方提取载气，

在本世纪，淡水短缺将超过能源短缺作为全球人类关注的问题，正如“经济学人”2010年5月20日的“水问题特别报告”所解释的那样，这两个挑战是密不可分的。淡水是人类和其他生物最基本的需求之一; 每个人每天需要消耗至少约2升。世界还面临着来自农业和工业过程的更多淡水需求。

供水不足造成的危害尤为严重。淡水短缺可能导致各种危机，包括饥荒，疾病，死亡，强迫大规模移民，跨区域冲突/战争以及生态系统崩溃。尽管淡水需求至关重要，而且短缺造成严重后果，但淡水供应尤其受到限制。地球上97.5％的水是咸的，其余约70％被锁定为冰（主要是冰盖和冰川），只留下地球上所有水的一小部分作为可用的新鲜（非盐水）水。

此外，地球上新鲜和可用的水分布不均匀。例如，印度和中国等人口稠密的国家有许多地区供应稀缺。此外，淡水供应通常与季节性不一致。与此同时，全球对淡水的需求正在收紧。水库正在干涸; 含水层正在下降; 河流正在消亡; 冰川和冰帽正在缩回。人口增长会增加需求，农业和工业化程度的提高也会增加需求。气候变化在许多地区构成更多威胁。因此，面临缺水的人数正在增加。然而，天然存在的淡水通常局限于区域流域; 水的运输是昂贵且耗能的。

另一方面，许多现有的从海水（或较少程度地来自微咸水）生产淡水的方法需要大量的能量。反渗透（RO）是目前领先的海水淡化技术。在大型工厂中，所需的比电力可低至4 kWh / m ³，回收率为30％，而理论最低值约为1 kWh / m ³ ; 较小规模的RO系统（例如，船上）效率较低。

其他现有的海水淡化系统包括基于热能的多级闪蒸（MSF）蒸馏和多效蒸馏（MED），这两者都是能源和资本密集型过程。然而，在MSF和MED系统中，最大盐水温度和热输入的最高温度是有限的，以避免硫酸钙沉淀，这导致在传热设备上形成硬垢。

加湿 - 除湿（HDH）脱盐系统包括加湿器和除湿器作为其主要组分，并使用载气（例如空气）在热源和盐水之间传递能量。在加湿器中，热海水与干燥空气直接接触，并且该空气变得加热和加湿。在除湿机中，加热和加湿的空气与冷海水（间接）接触并被除湿，产生纯净水和除湿空气。本发明的一些发明人也是以下专利申请的发明人，其包括关于用于净化水的HDH方法的另外的讨论：美国申请Ser。2009年9月4日提交的第12 / 554,726号（代理人案卷号mit-13607）; 美国申请Ser。2009年10月5日提交的第12 / 573,221号（代理人案卷号mit-13622）; 和美国申请Ser。2011年2月15日提交的第13 / 028,170号（代理人案卷号mit-14295）。

来自佛罗里达大学的方法，其在美国专利No.5,199,480中有所描述。美国专利No.6,919,000 B2通过使用直接接触式冷凝器代替标准的间接接触式除湿器降低了与不可冷凝气体相关的热阻。该方法以能量效率为代价提高了冷凝器中的传热速率，因为来自进入除湿器的潮湿空气的能量不能直接回收以预热海水。因此，尽管降低了除湿装置的成本，但是能量成本增加。

摘要

本文描述了单级和多级泡罩塔蒸汽混合物冷凝器（在本文其他地方简称为冷凝器）和加湿 - 除湿（HDH）系统及其操作。装置和方法的各种实施例可包括下面描述的元件，特征和步骤中的一些或全部。

A multi-stage bubble-column vapor mixture condenser comprises at least a first stage and a second stage. Each stage includes a carrier-gas inlet and a carrier-gas outlet, as well as a condenser chamber containing a condensing bath in fluid communication with the carrier-gas inlet and the carrier-gas outlet. The carrier-gas inlet is positioned to bubble carrier gas from the carrier-gas inlet up through the condensing bath, overcoming a hydrostatic head of the condensing bath. The carrier-gas outlet is positioned with an opening for carrier-gas extraction above the condensing bath, wherein the first-stage carrier-gas outlet is in fluid communication with the carrier-gas inlet of the second stage to facilitate flow of the carrier gas through the condensing bath in the condenser chamber of the first stage and then through the condensing bath in the condenser chamber of the second stage.

多级泡罩塔冷凝器可以在加湿 - 除湿系统中与加湿器连接。

该装置和方法可用于以成本有效的方式从液体混合物（包括但不限于海水，微咸水和废水）中分离纯水，与先前的方法相比，这可以导致显着降低的成本。该装置和方法的实施例可以提供许多优点。首先，根据公开文献中给出的气泡柱数据，多级泡罩塔冷凝器的传热系数估计为7 kW / m ².K（即，比现有技术水平高至少一个数量级）。该传热系数与蒸汽的薄膜冷凝相当，如果不高于该温度。其次，使用新颖的多阶段技术可以保持高能量回收。第三，可以在设备和方法中采用多次提取以进一步提高热回收率。第四，随着能源成本和设备成本的降低，系统的总成本降低。

附图的简要说明

图。1 图1是单级泡罩塔冷凝器的剖视图。

图。2 图1是包括多级泡罩塔冷凝器的加湿 - 除湿水净化系统的实施方案的示意图。

图。3 从鼓泡塔顶部绘制多级泡罩塔冷凝器中各柱的温度分布图。

图。4 从鼓泡塔顶部绘制单级泡罩塔冷凝器的温度曲线。

图。五 图1是包括多级泡罩塔冷凝器的多提取加湿 - 除湿水净化系统的实施方案的示意图。

图。6 图2是与垂直方向成角度的气泡柱冷凝器的剖视图。

在附图中，相同的附图标记在不同的视图中指代相同或相似的部分; 和撇号用于区分共享相同参考数字的相同或相似项目的多个实例。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明下面讨论的特定原理上。

详细说明

本发明的各个方面的前述和其他特征和优点将从以下对本发明的更广泛范围内的各种概念和具体实施方案的更具体描述中变得显而易见。以上介绍并在下面更详细讨论的主题的各个方面可以以多种方式中的任何一种来实现，因为主题不限于任何特定的实现方式。提供特定实现和应用的示例主要是出于说明性目的。

除非本文中另外定义，使用或表征，否则本文使用的术语（包括技术和科学术语）应被解释为具有与其在相关领域的上下文中的可接受含义一致的含义，并且不应被解释为理想化或过于正式的意义，除非在此明确定义。例如，如果参考特定的组合物，则组合物可以是实质的，但不是完全纯的，因为实际和不完美的现实可能适用; 例如，至少痕量杂质的潜在存在（例如，按重量或体积小于1或2％）可以理解为在说明书的范围内; 同样地，如果参考特定形状，则该形状旨在包括与理想形状不完美的变化，例如，由于加工公差。

尽管这里可以使用术语“第一”，“第二”，“第三”等来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件。

在此可以使用空间相对术语，例如“上方”，“下方”，“左侧”，“右侧”，“前方”，“后方”等，以便于描述以描述一个元件的关系。另一个元素，如图所示。应当理解，除了本文所述和图中所示的取向之外，空间相对术语以及所示配置旨在涵盖使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下方”的元件将被定向在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“上方”可以包括上方和下方的方向。该装置可以以其他方式定向（例如，

此外，在本公开中，当元件被称为“接通”，“连接到”或“耦合到”另一元件时，它可以直接在另一元件上，连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。除非另有规定。

这里使用的术语是为了描述特定实施例的目的，而不是要限制示例性实施例。如本文所用，除非上下文另有说明，否则诸如“一个”和“一个”的单数形式也旨在包括复数形式。另外，术语“包括”，“包括”，“包含”和“包含”指定所述元件或步骤的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他元件或步骤。

不可冷凝气体的存在可以极大地增加与冷表面上的蒸汽膜冷凝相关的热阻。对于在加湿除湿系统的除湿器（冷凝器）空气（不可冷凝气体）本的典型摩尔分数（约70％），热传递系数可低至1 /第100次的，对于纯蒸汽冷凝（在多效蒸馏和多级闪蒸系统中）。在绝对值中，传热系数可低至10 W / m ² .K。因此，有利的是降低与不可冷凝气体相关的热阻，同时保持由背景技术人员在先前专利申请中描述的方法所带来的能量效率的有利提高。